Les fortes précipitations sont parmi les phénomènes météorologiques les plus dangereux pouvant causer des dégâts matériels, des blessés et des morts. Le programme de recherche HyMeX (Hydrological cycle of the Mediterranean eXperiment) s'intéresse à leur étude sur le bassin méditerranéen et plus particulièrement sa partie nord occidentale. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont porté en particulier sur l'étude des mécanismes associés aux événements de fortes précipitations (High Precipitation Events, HPE) se produisant en Corse. Une climatologie des HPE en Corse sur une durée de 31 ans a été réalisée ainsi que l'étude détaillée de trois HPEs de l'automne 2012 pendant la campagne de mesures d'HyMeX. Ces trois cas d'études sont abordés par le biais de l'analyse des données et par celui de la modélisation. L'étude climatologique a montré que 173 HPEs (caractérisés par plus de 100 mm de précipitations en 24h) se sont produits en Corse sur la période 1985-2015. Ils sont principalement caractérisés par le fait qu'ils affectent plutôt la partie orientale de la Corse, plus particulièrement son orographie. Ces HPEs se produisent surtout de septembre à décembre avec un maximum en octobre. Une analyse en composantes principales a permis de classer ces événements en trois catégories. Les dépressions méditerranéennes chaudes d'automne, celles d'hiver froides, et une catégorie dite mixte associée aux dépressions atlantiques de grande échelle. Les précipitations les plus fortes sont observées quand l'orographie corse fait obstacle à un flux de sud-est chaud et humide. Les cas d'études présentés sont tous les trois différents en terme de mécanismes impliqués. Le cas du 4 septembre 2012 est associé à une dépression stationnaire donnant des précipitations sur toute la Corse avec un maximum sur le littoral et le relief de l'est de l'île. Celui du 31 octobre correspond à une dépression se déplaçant rapidement et induisant une évolution en plusieurs phases associée à un flux de basse couche initialement de sud-est tournant à l'ouest, associé à des précipitations d'abord convectives le long du relief oriental puis évoluant au fur et à mesure en pluies stratiformes sur l'ouest et le sud-est de l'île. Le dernier cas, du 23 octobre, est composé d'une ligne de cellules convectives résultant d'une convergence stationnaire au sud-est, sous le vent de la Corse. Les cellules convectives sont advectées vers l'île par le flux de sud-est de moyenne et haute altitude. Cette configuration permet la stationnarité de la ligne convective, provoquant un épisode de précipitations relativement court et très localisé. Les résultats de ce travail confirment que le modèle numérique Meso-NH permet de bien simuler ce type de phénomène avec une précision satisfaisante à une résolution horizontale de 2,5 km. Cependant, cette étude met également en évidence l'importance de la bonne représentation des conditions initiales. En outre, la distribution spatiale des précipitations dépend fortement de la représentation de l'orographie dans le modèle et de la résolution horizontale. Elle est améliorée quand on utilise une résolution de 500m. / Heavy precipitation is one of the primal meteorological reasons for property damage, injuries, and deaths. In the framework of the Hydrological Cycle of the Mediterranean (HyMeX) program, heavy precipitation is analyzed throughout the entire Mediterranean basin with a special focus on the northwestern Mediterranean. This work studies in particular the mechanisms of high precipitation events (HPEs) on Corsica. For this purpose, a 31 year (1985 - 2015) climatology of HPEs on Corsica is presented. In addition, three HPEs during autumn 2012 are analyzed in detail using observations and numerical modeling. A climatology of 173 events shows that the eastern half of Corsica, specifically the orography, is most affected by high precipitation events. The months from September to December, most of all October, are identified as most prone to heavy precipitation events over Corsica. A principal component analysis is used to classify the events into three categories, which correspond to warm autumn and cold winter Mediterranean cyclones as well as a mixed category which contains also larger scale Atlantic cyclones. The heaviest precipitation is observed when warm moist southeasterly flow encounters the Corsican orography. In addition, three case studies are presented, each with different mechanisms involved. A stationary cyclone on 4 September 2012 led to widespread precipitation over Corsica with the most intense rain observed over the east of the island, along the coast and the orography. On 31 October, a fast moving cyclone caused a multi-phase event, which was characterized by low level wind turning from southeast to west while precipitation gradually changed from convective along the orography in the east of the island to stratiform mainly over the west and southwest. The last event, 23 October 2012, was comprised of a line convective cells which formed over stationary lee side convergence southeast of Corsica. The convective cells were advected toward the island by the mid- and upper level southeasterly wind. These conditions allowed the convective line to remain stationary, resulting in a highly localized and relatively short event. The findings confirm that the numerical model Meso-NH is well capable of simulating such events with satisfactory precision at a grid spacing of 2.5 km. However, the studies also underline the importance of well captured initial conditions. Additionally, the spatial distribution of precipitation is highly dependent on the representation of the orography in the model as well as the horizontal grid spacing and is improved when using a horizontal grid spacing of 500 m instead.

Les précipitations en Afrique septentrionale se produisent principalement pendant la saison des moussons. Elles résultent de l'interaction des processus atmosphériques dans une large gamme d'échelles, ce qui rend leur prévision difficile. Les mécanismes de contrôle des précipitations sont examinés au cours d'un épisode bien documentée d'émission et de transport de poussières du 9 au 14 juin 2006. La même méthode pour la détection et le suivi des nuages a été appliquée sur les observations par satellite et plusieurs simulations numériques (avec convection explicite ou paramétrée) pour étudier les systèmes précipitants. Parmi les différents types de systèmes identifiés, les systèmes convectifs de mésoéchelle (MCS) produisent la majeure partie de la précipitation totale, avec une contribution observée de 66%. Les plus grands producteurs de précipitation sont les MCS à longue durée de vie (c'est-à-dire de plus de 6 h), à l'origine de 55% des précipitations. Ces MCS deviennent plus organisés, c'est-à-dire plus grands, plus longs et plus rapides, alors qu'ils propagent vers l'ouest. Les simulations permettant la convection reproduisent la partition de pluie, mais ne reproduisent pas complètement l'organisation des MCS à longue durée de vie. La simulation avec convection paramétrée ne parvient pas à représenter correctement la partition de pluie. Cela montre la valeur ajoutée apportée par les simulations permettant la convection. L'effet radiatif des poussières est ensuite analysé en comparant deux simulations permettant la convection, avec et sans interaction poussière-rayonnement. Les effets directs sont un réchauffement de niveau moyen et un refroidissement à proximité de la surface, principalement dans les parties occidentales de l'Afrique septentrionale, qui tendent à stabiliser l'atmosphère inférieure. Un effet semi-direct est une diminution des précipitations. Cette baisse des pluies s'explique par un nombre trop faible de MCS à longue durée de vie qui, néanmoins, ont une durée de vie plus longue et sont plus efficaces en termes de production de précipitations. La diminution du nombre de MCS à longue durée de vie est due à la stabilisation de l'atmosphère qui inhibe le déclenchement de la convection. / Precipitation in northern Africa occurs mainly during the monsoon season. It arises from the interaction of atmospheric processes across a wide range of scales, making its prediction challenging. The control mechanisms on precipitation are examined during a well-documented case study of dust emission and transport on 9-14 June 2006. The same method for cloud detection and tracking was applied on satellite observations and several numerical simulations (with explicit or parameterized convection) to investigate the precipitating systems. Among the various types of systems identified, mesoscale convective systems (MCSs) yield most of the total precipitation, with an observed contribution of 66%. The greatest precipitation producers are the long-lived MCSs (i.e., that last more than 6 h), at the origin of 55% of precipitation. These MCSs become more organized, i.e., larger, longer-lived and faster, as they propagate westward. The convection-permitting simulations capture the rainfall partition, but do not fully reproduce the organization of the long-lived MCSs. The simulation with parameterized convection fails to correctly represent the rain partition. This shows the added-value provided by the convection-permitting simulations. The radiative effect of dust is then analyzed, by comparing two convection-permitting simulations, with and without dust-radiation interaction. The direct effects are a mid-level warming and a near-surface cooling mainly in the western parts of northern Africa, which tend to stabilize the lower atmosphere. One semi-direct effect is a decrease in precipitation. This rainfall drop is explained by a too low number of long-lived MCSs which, nevertheless, are longer-lived and more efficient in terms of precipitation production. The diminution in the number of long-lived MCSs is due to the stabilization of the atmosphere inhibiting the triggering of convection.

L'objectif de cette étude est d'évaluer la réactivité abiotique de l'hydrogène dans un site de stockage géologique de déchets radioactifs en formation argileuse. Nous montrons que l'hydrogène est un agent réducteur pouvant être impliqué dans des réactions d'oxydoréductions sous contrôle cinétique avec certaines espèces oxydées de la formation hôte du stockage. Le système soufre apparait tout particulièrement réactif vis-à-vis de la perturbation redox induite par la présence d'hydrogène, sa déstabilisation se traduit notamment par une importante production de sulfure. Notre étude expérimentale sur la réduction des sulfates par l'hydrogène montre que cette réaction ne peut pas être à l'origine de cette production de sulfure. En effet les temps de demi-vie pour les sulfates sont de l'ordre de 200.000 ans à 90°C et l'énergie d'activation de la réaction est très élevée (131 kJ/mol). Par contre, la pyrite est un oxydant potentiel pour l'hydrogène. Nous montrons que cette dernière réaction est possible sur de courtes périodes de temps dés 90°C. A des pH légèrement alcalins tels que ceux de l'eau porale d'une formation argileuse formation et des températures comprises entre 90 et 180°C, cette réaction conduit à la précipitation de pyrrhotite et à la production d'H2S. Nous proposons une loi de vitesse pour cette réaction pouvant être intégrée dans des simulations numériques évaluant la sûreté du stockage à long terme.

Ce travail de thèse est dédié à l'étude d'un type de convection peu profonde sur la région des Cévennes. Cette convection peu profonde est associée à des précipitations organisées en bandes et localisées sur le relief. Bien que d'intensité faible, ces précipitations peuvent avoir un impact en hydrologie car elles durent longtemps. Nous souhaitons, d'une part comprendre les processus associés à ces précipitations, et d'autre part évaluer leur contribution au régime pluviométrique de la région. Pour ce faire, la première étape consiste en l'élaboration d'une classe de temps composés de tels évènements, car à ce jour, seulement 20h de précipitations orographiques organisées en bandes ont été observées. Cette classe de temps est construite à partir de critères dynamiques et pluviométriques puis complétée par l'utilisation de méthodes statistiques linéaire et non linéaire. Une fois la classe de temps élaborée, les conditions atmosphériques favorables au déclenchement de la convection peu profonde organisée en bandes sont étudiées à partir des radiosondages, des réanalyses ERA40 et de simulations numériques avec MesoNH. L'élaboration de cette classe de temps permet également d'évaluer la contribution de ces pluies au régime pluviométrique en rapportant le cumul des précipitations réanalysées pour les jours extraits à l'ensemble des précipitations observées entre 1976 et 2005. Malgré les incertitudes, cette contribution n'est pas négligeable. Ceci suggère l'intérêt de développer un réseau d'observation permettant de mieux appréhender ces évènements.

La magnésite (MgCO3) est la forme anhydre la plus stable d'une série de carbonates de magnésium qui présentent différents degrés d'hydratation. Malgré sa rareté dans les environnements naturels, elle constitue une phase minérale fondamentale pour le piégeage minéral permanent du CO2. La détermination expérimentale des vitesses de précipitation et de dissolution de la magnésite dans des conditions représentatives de la séquestration géologique est donc fondamentale pour l'estimation du potentiel de séquestration de CO2 par cette phase dans les basaltes et dans les roches ultrabasiques et pour l'optimisation des procédés de stockage du CO2. Nous avons mesuré les vitesses de précipitation de la magnésite en utilisant des réacteurs à circulation et des réacteurs fermés, en fonction de la température (100 ≤ T ≤ 200 °C), de la composition de la solution aqueuse et de la pression partielle de CO2 (de 0 à 30 bar). Les vitesses mésurées sont indépendantes de la force ionique de la solution pour 0.1 M < I < 1.1 M, mais elles diminuent significativement avec l'augmentation de l'activité des ions CO32- pour des pH supérieures à 8. Les vitesses mesurées dans les réacteurs à circulation sont cohérentes avec le modèle de coordination chimique surfacique de Pokrovsky et al. (1999) selon lequel les vitesses de précipitation de la magnésite sont proportionnelles à la concentration des sites surfaciques >MgOH2+. L'étude des vitesses de cristallisation conduite par microscopie à force atomique hydrothermale (HAFM) a montré un bon accord entre les vitesses déduites de mesures microscopiques et les vitesses macroscopiques et a aussi démontré que la précipitation de la magnésite s'effectue selon un mécanisme de croissance spirale. Suivant les observations effectuées par AFM, ce mécanisme contrôle la vitesse de croissance de la magnésite dans un grand intervalle de température et d'indice de saturation (15≤ Ω ≤ 200 pour 80 ≤ T < 120 °C). En raison de l'inhibition de la précipitation de la magnésite par les ions carbonates, il est recommandé d'opérer sous des pressions partielles de CO2 assez élevées, ce qui présente en outre l'avantage d'accélérer la cinétique de dissolution des silicates magnésiens, grâce à l'acidification de la solution par le CO2. La détermination des vitesses de dissolution de la magnésite dans des réacteurs à circulation à 150 et 200 °C et en milieu neutre à alcalin nous a permis d'améliorer le modèle de complexation de surface et d'étendre son application aux températures considérées. La diminution des vitesses de dissolution observée de 150 à 200 °C peut être expliquée par l'augmentation, en fonction de la température, de la carbonatation et de l'hydrolyse des sites >MgOH2+ qui contrôlent la vitesse de dissolution de la magnésite. Des températures supérieures à 100 °C qui entrainent une diminution de la vitesse de dissolution de la magnésite et des autres carbonates sont donc favorables au stockage de CO2 sous forme dissoute dans les aquifères profonds riches en minéraux carbonatés. L'utilisation d'une cellule à électrodes d'hydrogène (HECC) nous a permis de préciser les données cinétiques à proximité de l'équilibre grâce à la détermination précise du produit de solubilité de la magnésite en fonction de la température (50-200 °C). De plus, ces mesures nous ont permis de générer les propriétés thermodynamiques de la magnésite et de les comparer à celles obtenues par mesures calorimétriques et par équilibres de phases. Les résultats de cette étude représentent une importante contribution à la compréhension des cinétiques de réaction des minéraux carbonatés dans les systèmes hydrothermaux et permettent de proposer une base de données essentielle pour la quantification des réactions de dissolution/précipitation des carbonates dans les systèmes complexes. En outre, ce travail fournit des contraintes cinétiques pour la modélisation géochimique des processus de séquestration du CO2 et sera utile à l'évaluation de l'impact et des risques liés au stockage de CO2 à long terme.

La connaissance des réservoirs géologiques et de leur évolution est cruciale pour toutes les applications les mettant en jeu (prospection/extraction de pétrole ou de gaz, stockage de gaz ou de déchets, réhabilitation de sites industriels, dépollution des sols et des nappes phréatiques). La complexité des phénomènes couplés de réaction chimique et transport, la non-linéarité des équations en découlant et la diversité des échelles d'observation (en espace et en temps) amènent à avoir recours à la modélisation. Lors des injections de gaz acides dans des structures géologiques potentiellement capables de les stocker, les minéraux présents primaires) les plus réactifs se dissolvent, du fait de l'acidification de l'eau en place. En conséquence, le fluide se charge en éléments issus de ces réactions jusqu'à atteindre un état de sursaturation par rapport à d'autres minéraux primaires, mais aussi par rapport à des minéraux jusque là absents de l'assemblage (secondaires) qui peut les amener à précipiter. Dans ces configurations, la justesse des prédictions du comportement du système, qui permettent de s'assurer de la pérennité du stockage du gaz et de se prémunir contre les risques mécaniques éventuels, va dépendre de l'aptitude du programme à bien choisir les solides qui précipitent et à connaître précisément à la fois les cinétiques de croissance des minéraux primaires et les cinétiques de formation des minéraux secondaires.<br />Dans le code ARCHIMEDE (développé à l'E.N.S.M-S.E, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, en collaboration avec l'I.F.P, Institut Français du Pétrole), seule la partie géochimie est concernée. Outre quelques difficultés qui empêchaient de traiter les variations de volume occasionnées par les réactions et que nous nous sommes efforcés de résoudre en reprenant l'ensemble du programme, l'objectif principal de ce travail de thèse a été la conception et l'implémentation d'un modèle de germination/mûrissement/croissance pour les minéraux secondaires.<br />Notre démarche a consisté à analyser précisément l'apparition de nouveaux minéraux dans des assemblages naturels d'où ils sont absents initialement. Quelques simulations numériques ont permis de montrer les limites inhérentes à la représentation, inadaptée, de la précipitation de ce genre de minéraux par croissance cristalline. La mise en avant de ces faiblesses a défini alors le cadre pour un nouveau modèle de précipitation propre aux minéraux secondaires. Une étude détaillée de la phase de germination, à savoir l'apparition des premiers cristaux d'un minéral, a conduit à la construction d'un modèle pour sa cinétique. Par suite, la mise en compétition du processus de germination avec celui de croissance, destiné à prendre plus tard le relais de la production de volume du nouveau solide, a nécessité la prise en charge de cristaux de tailles variées et le recours au mûrissement d'Ostwald, via un calcul parallèle. Il en a résulté un algorithme élaboré pour gérer, pour chaque minéral secondaire, la phase initiale de germination/mûrissement et ensuite le passage à la phase de croissance cristalline. La sensibilité de ce nouveau modèle complet de germination/mûrissement/croissance vis-à-vis des différents paramètres qui le composent a pu être analysée moyennant de nouvelles simulations numériques. Son comportement, en terme d'acuité des prédictions, a également pu être mis à l'épreuve et finalement jugé satisfaisant.

L'aéronomie est un sujet de recherche interdisciplinaire dont le but est la compréhension des relations entre les atmosphères de la Terre ou des autres planètes et les précipitations de particules depuis l'espace.<br />Dans une première partie, j'ai modifié les codes de type Trans* pour étudier les ions doublement chargés dans la haute atmosphère de Vénus. Dans cette optique, j'ai utilisé les plus grandes énergies des études standard des hautes atmosphères. Ce travail a permis d'améliorer la connaissance des émissions ionosphériques et thermosphériques de Vénus (et de Mars), et pose le problème des mécanismes de création de la raie verte de l'oxygène dans les atmosphères riches en CO2.<br />Dans une seconde partie, j'ai étudié les précipitations d'électrons le long des lignes de champ magnétiques drapées dans l'atmosphère de Titan, donnant ainsi une nouvelle approche à l'étude de la précipitation de particules dans sa mésosphère.<br />Dans une dernière partie, j'ai utilisé le code Planetocosmic pour calculer l'impact des rayons cosmiques dans l'atmosphère de Titan. De plus, une partie sur la précipitation de protons a été ajoutée, de manière à calculer l'ionisation totale dans l'atmosphère (depuis l'ionisation par les électrons et les photons dans la haute atmosphère, à celle induite par les rayons cosmiques dans la basse atmosphère). Ces productions sont utilisées comme entrées pour des modèles dont le but de comprendre l'ensemble des processus physico-chimiques dans l'atmosphère de Titan.<br />Le travail effectué au cours de cette thèse a permis quelques comparaisons avec les missions Mars Express, Vénus Express et Cassini-Huygens.

L'objectif principal de cette thèse était de comprendre l'influence du revenu, de la vitesse de trempe et de la composition de l'alliage sur le compromis limite d'élasticité / ténacité dans les alliages de la série 7000, compromis critique pour une conception performante des ailes d'avion. Nous avons essayé de maîtriser ces effets en les associant à l'évolution des principaux paramètres de la microstructure à toutes les échelles. Pour cela nous avons utilisé une approche partant de la caractérisation de la microstructure et des mécanismes de rupture, afin de dégager les paramètres dominants.<br /><br />L'approche suivie était donc avant tout expérimentale. Nous avons caractérisé le comportement mécanique du matériau à partir d'essais classiques de traction mais aussi à partir d'essais de déchirement sur éprouvettes entaillées de type Kahn. Parallèlement les techniques de diffusion centrale de rayons X, de microscopie électronique à balayage et en transmission ont permis de caractériser les différentes familles de précipités se formant pendant les traitements thermiques.<br /><br />Ainsi à chaque effet du procédé de production sur le comportement en ténacité, nous avons pu associer une cause microstructurale : les précipités intergranulaires de revenu, les précipités intergranulaires et transgranulaires de trempe et les particules intermétalliques. Une fois identifiées, ces causes ont été traduites dans un modèle simple de résistance à l'entaille qui permet de rationaliser les grandes tendances.

Les alliages Al-Mg-Si-(Cu) de la série 6016 sont utilisés sous forme de tôles pour<br />la réalisation d'ouvrants dans l'industrie automobile. Leur particularité est de pouvoir<br />être durcis durant la cuisson des peintures (typiquement 30 minutes à 185°C). Ce phénomène<br />s'explique par un durcissement structural : le traitement thermique de cuisson des<br />peintures appliqué à une solution solide sursaturée active la diffusion des solutés et la précipitation<br />de phases métastables plus ou moins cohérentes avec la matrice d'aluminium<br />qui vont ralentir le mouvement des dislocations.<br />Ces différentes phases métastables ont des tailles extrêmement petites (parfois inférieures<br />à 1nm), ce qui les rend difficiles à analyser autrement qu'en sonde atomique tomographique.<br />Une attention toute particulière a été apportée au développement de nouvelles<br />techniques d'interprétation et de traitement des données afin de faire reculer les limites de<br />l'instrument.<br />Grâce à la sonde atomique, parfois couplée au microscope électronique en transmission,<br />les mécanismes de précipitation de la phase beta" ont été mieux compris. En particulier,<br />nous avons montré qu'un traitement de prérevenu à 90°C appliqué avant le revenu rendait<br />ce dernier plus efficace par la formation d'amas diffus de Mg et de Si qui augmentent la<br />densité numérique d'objets durcissants (amas +beta"). La présence d'aluminium dans les<br />précipités a été démontrée.<br />L'effet du prérevenu sur la corrélation entre les atomes durant les tout premiers stades<br />de décomposition a été étudié directement par le calcul de fonctions partielles de corrélation<br />de paires. Cette méthode a également permis de suggérer un scénario expliquant le<br />durcissement pendant le stockage à l'ambiante par la formation d'atmosphères de solutés<br />autour des dislocations, ralentissant ainsi leur mouvement.

L'addition de zirconium et de scandium aux alliages d'aluminium conduit à la formation de précipités ordonnés. L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la cinétique de précipitation en confrontant modélisation à l'échelle atomique et mésoscopique, un travail de caractérisation expérimentale par microscopie électronique à transmission de la cinétique de précipitation de Al₃Zr ayant été également entrepris.<br /><br />Nous nous intéressons principalement au stade de germination et dans ce but un modèle atomique sur réseau rigide est construit pour le système Al-Zr-Sc permettant d'étudier la cinétique de précipitation par simulations de Monte Carlo cinétique. Tout en conservant le mécanisme d'échange lacunaire, nous avons testé l'influence sur la cinétique de précipitation de la prise en compte d'interactions effectives de multiplets, allant donc au-delà d'un simple modèle énergétique de paire. La confrontation des résultats des simulations Monte Carlo avec la théorie classique de germination montre que les modèles mésoscopiques conduisent à une bonne représentation du stade de germination de Al₃Zr et Al₃Sc, <br />dès lors que la tendance à l'ordre du système étudié est prise en compte dans le calcul des grandeurs d'entrée de ces modèles. Quant à la cinétique de précipitation dans le système ternaire Al-Zr-Sc, les simulations atomiques permettent, à partir d'une meilleure compréhension du chemin cinétique, d'étendre la théorie classique de germination afin de modéliser la germination dans un alliage ternaire où les précipités sont de composition non connue a priori.